1變頻器常用逆變器件簡介

　　變頻調(diào)速在調(diào)速領(lǐng)域越來越占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　70年代，大功率晶體管(GTR)的開發(fā)成功，奠定了變頻調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)。80年代，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)，使其工作頻率比GTR又提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步。趨近于直流調(diào)速的性能和明顯的節(jié)能效果，使變頻調(diào)速的應(yīng)用日益廣泛。但GTR或IGBT在能實(shí)現(xiàn)高速開斷的同時(shí)，也顯示出其對(duì)耗散功率的脆弱性。在運(yùn)行過程中，躲過放大狀態(tài)這一工作禁區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)GTR或IGBT的保護(hù)顯得尤為重要。

　　1.1大功率晶體管GTR

　　GTR是一種放大器件，變頻器用的GTR一般都是達(dá)林頓復(fù)合晶體管，具有3種工作狀態(tài)。

　　(1)放大狀態(tài)

　　其基本工作特點(diǎn)是集電極電流IC的大小隨基極流IB而變化，即IC=βIB.GTR處于放大狀態(tài)時(shí)，其耗散功率PC較大。設(shè)UC=200V，RC=10Ω，β=50，IB= 200mA.則：IC=β×IB=50×0.2=10(A)

　　UCE=UC-IC×RC=200-10×10 =100(V)

　　PC=UCE×IC=100×10=1(kW)

　　(2)飽和狀態(tài)

　　IB增大時(shí)，IC隨之而增大的狀態(tài)必然要受到歐姆定律的制約。當(dāng)β×IB>UC/RC時(shí)，IC=βIB的關(guān)系便不能再維持了，這時(shí)，GTR開始進(jìn)入"飽和"狀態(tài)。當(dāng)IC的大小幾乎完全由歐姆定律決定，即ICS≈UC/RC時(shí)，GTR便處于深度的飽和狀態(tài)。據(jù)測(cè)定，GTR的飽和壓降UCES約為1～5V.GTR處于飽和狀態(tài)時(shí)的功耗是很小的。

　　上例中，設(shè)UCES=2V，則ICS=UC/RC=200/10=20(A)

　　PC=UCES×ICS=2×20=40(W)

　　可見，與放大狀態(tài)相比，雖然電流較大，但因GTR飽和壓降極小，PC極小。

　　(3)截止?fàn)顟B(tài)

　　這是基極電流IB≤0的結(jié)果。在截止?fàn)顟B(tài)，GTR中只有很微弱的漏電流流過，因此，其功耗是微不足道的。

　　GTR在逆變電路中是用來作為開關(guān)器件的，其工作過程，總是在飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)間進(jìn)行交替。所以，逆變用的GTR的額定功耗通常是很小的。而如上所述，如果GTR處于放大狀態(tài)，其功耗將增大百倍以上。所以，逆變電路中的GTR不允許在放大狀態(tài)下停留。

　　1.2絕緣柵雙極晶體管IGBT

　　IGBT是MOSFET和GTR相結(jié)合的產(chǎn)物，是柵極為絕緣柵結(jié)構(gòu)的MOS晶體管。其主電路部分與GTR相同，只是控制信號(hào)為電壓信號(hào)，輸入阻抗很高，柵極電流幾近于0，故驅(qū)動(dòng)功率很小。而GTR是用電流信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，所需驅(qū)動(dòng)功率較大。

　　2逆變器件的特點(diǎn)和工作禁區(qū)

　　逆變器件的特點(diǎn)是：擊穿電壓很高(如GTR和IGBT的擊穿電壓已可達(dá)到1200V)，最大允許電流也很大(如IGBT的集電極最大飽和電流已超過1500A)，但允許功耗卻很小。所以，逆變器件只能工作在開關(guān)狀態(tài)，而絕對(duì)不允許工作在放大狀態(tài)。一旦工作在放大狀態(tài)，例如：工作電流500A，管壓降為100V，其功耗為PC=500×100=50kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了允許功耗，逆變管將迅速損壞。所以，逆變器件在工作過程中，絕不允許在放大區(qū)這一工作禁區(qū)稍作停留。

　　3變頻器內(nèi)直流電源的類型及突然停電后的狀態(tài)

　　3.1主電路的直流電源

　　從變頻器主電路的基本結(jié)構(gòu)可以看出：對(duì)于交―直―交全波整流電路，當(dāng)線電壓為UL= 380V的電源接通后，其直流平均電壓UD為1135UL=1.35×380V=513V.需要指出，整流電壓波形并非理想的直流電壓，是鋸齒形脈動(dòng)波形，由于電容器CF的濾波作用，在整流回路負(fù)載內(nèi)阻RL不太大，而RLCF較大的條件下，UD的實(shí)際電壓要高于513V.理論上，UD值可由下面的公式計(jì)算，其中T為電網(wǎng)電壓周期。

　　UD=2UL(1- T 4RLCF)

　　如果突然停電的同時(shí)，逆變管也同時(shí)停止工作，由于濾波電容的儲(chǔ)能作用，直流電壓衰減很慢。如逆變管繼續(xù)工作的話，電壓UD的下降是較快的，但要降到0V，也需要若干秒。

　　3.2控制電路的直流電源

　　由于控制電路對(duì)電源電壓的穩(wěn)定度要求很高，因此，電路中濾波電容的容量往往很大。停電后，一般可繼續(xù)工作達(dá)數(shù)10s之久。

　　3.3驅(qū)動(dòng)電路的直流電源

　　其主要特點(diǎn)是：(1)6個(gè)逆變管中，3個(gè)和直流電源的"+"端相連，另3個(gè)和直流電源的"-"端相連，又分別屬于不同的相。所以，除與"-"極相接的3個(gè)可共用一個(gè)直流電源外，與"+"極相接的3個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的電源是各自獨(dú)立的;(2)逆變管由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的瞬間，要求驅(qū)動(dòng)電路能提供較大的基極電流或柵極電壓，以利于迅速飽和。

　　導(dǎo)通之后，又希望適當(dāng)減小基極電流或柵極電壓，減輕飽和程度，以利于切換時(shí)能迅速退出飽和狀態(tài)。所以，驅(qū)動(dòng)電路中，電源的儲(chǔ)能元件容量較小。停電時(shí)，如逆變管為GTR管，則由于驅(qū)動(dòng)電路提供的基極電流較大，其電源電壓下降的較快。

　　如逆變管為IGBT管時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的輸出功率不大，電源電壓下降稍慢。

　　4突然停電的后果及對(duì)策

　　4.1突然停電的后果

　　(1)當(dāng)逆變器件是GTR管時(shí)，主要矛盾是驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓及所提供的基極電流下降較快，將可能使GTR管因進(jìn)入放大狀態(tài)而迅速燒壞。

　　(2)當(dāng)逆變器件是IGBT管時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)電路的功耗甚微，故IGBT管進(jìn)入放大狀態(tài)的可能性不大，但突然失電后，電源電壓UIN在t0時(shí)間內(nèi)迅速下降，整流電壓UD減小，變頻器輸出電壓降低。由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩與變頻器輸出電壓的平方成正比，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩大幅度減小，而此時(shí)負(fù)載不變，促使電機(jī)電流增大。也就是說，由于變頻器的輸出電壓不斷下降，將引起電動(dòng)機(jī)的過電流。

　　4.2保護(hù)措施

　　(1)逆變器件為GTR管時(shí)，一旦停電，控制電路應(yīng)立即停止向驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)電路和GTR管全部停止工作。電動(dòng)機(jī)將處于自由制動(dòng)狀態(tài)。

　　(2)逆變器件為IGBT管時(shí)，在停電后，將允許變頻器繼續(xù)工作一個(gè)極短的時(shí)間td.對(duì)于td有兩種規(guī)定和調(diào)試方法：一種是具體的規(guī)定時(shí)間，如15ms;另一種為主電路的直流電壓下降到源值的85%所需的時(shí)間。當(dāng)停電時(shí)間超過td時(shí)，控制電路立即停止輸出信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)處于自由制動(dòng)狀態(tài)。

　　a―電源電壓;b―控制電源電壓;c―電機(jī)轉(zhuǎn)速;d―從fx 1開始恢復(fù);e―從0恢復(fù);f―從fx 2開始恢復(fù)5對(duì)變頻器瞬時(shí)停電的處理所謂瞬時(shí)停電，是指突然停電后，在短時(shí)間內(nèi)電源又恢復(fù)的情形，電源恢復(fù)后，拖動(dòng)系統(tǒng)能否接著運(yùn)行，在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)，應(yīng)遵循以下3條原則：

　　(1)如停電時(shí)間t0<td，即電源停電后又在td時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，則整個(gè)系統(tǒng)將持續(xù)工作。< p="" style="margin: 0px; padding: 0px; list-style: none;">

　　(2)如停電時(shí)間t0小于控制電路電源的電壓維持時(shí)間tc，則允許電動(dòng)機(jī)自動(dòng)的接著運(yùn)行，而不必跳閘。

　　(3)當(dāng)t0>tc時(shí)，變頻器應(yīng)調(diào)整為跳閘。

　　當(dāng)tc>t0>td時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)銜接。當(dāng)電源又合上時(shí)，需略等待一個(gè)短時(shí)間tw，確認(rèn)電源已經(jīng)恢復(fù)后，變頻器將重新開始工作。

　　這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)以自由制動(dòng)的方式降為nMd了。于是出現(xiàn)了"變頻器以多大的頻率重新開始工作"的問題。大致的處理方法有3種：

　　(1)變頻器按停電前的工作頻率fx1恢復(fù)工作。這時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n0必將比電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速nMd大得多，其狀態(tài)與"升速過快"相類似。當(dāng)電流降到允許范圍后，再按設(shè)定的升速時(shí)間加速至給定頻率為止。這種方法主要用于慣性較大的拖動(dòng)系統(tǒng)中。

　　(2)變頻器從0Hz開始恢復(fù)工作。如電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速未降為0，則和"降速過快"的情形類似。如電流太大，或直流電壓太高，則增大工作頻率，直到電流和電壓降至允許范圍后，再按設(shè)定的升速時(shí)間升速。

　　(3)變頻器根據(jù)停電前的工作頻率和停電時(shí)間，估算出一個(gè)跟蹤頻率fx2。電源恢復(fù)時(shí)，從fx2開始工作，使銜接過程較平穩(wěn)，如圖2-f.以FUJI5000G9S/P9S變頻器為例，可對(duì)其"重啟動(dòng)"功能碼10進(jìn)行0～4的范圍設(shè)定;對(duì)時(shí)間和下降率功能碼82/83進(jìn)行設(shè)定，就可實(shí)現(xiàn)突然停電時(shí)對(duì)變頻器的保護(hù)功能。